Внутренняя энергия и работа газа.

Как известно, любое тело обладает свое собственной неповторимой структурой, которая определяется его химическим составом и строением. При этом, частицы, составляющие эту структуру, подвижны, они взаимодействуют между собой, а, следовательно, обладают неким количеством внутренней энергии. Внутренняя энергия газа представляет собой параметр, который определяет состояние самого газа, то есть энергию теплового движения его микрочастиц, которыми выступают молекулы, атомы, ядра и т. д. Кроме того, данное понятие характеризует и энергию их взаимодействия.

Вы уже знаете о суперспособностях современного учителя?

Тратить минимум сил на подготовку и проведение уроков.

Быстро и объективно проверять знания учащихся.

Сделать изучение нового материала максимально понятным.

Избавить себя от подбора заданий и их проверки после уроков.

Наладить дисциплину на своих уроках.

Получить возможность работать творчески.

=> ПОЛУЧИТЬ СУПЕРСПОСОБНОСТИ УЧИТЕЛЯ <=

Просмотр содержимого документа
«Внутренняя энергия и работа газа. »

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Кемеровский профессионально-технический техникум

Внутренняя энергия и работа газа.

Подготовил: студент группы АМ-142

Фрицлер Андрей

Под руководством: преподавателя физики

Барсукова Юлия Николаевна

г. Кемерово 2015 г.

Термодинамика – это раздел физики, изучающий возможности использования внутренней энергии тел для совершения механической работы.

Одной из основных величин, используемых в термодинамике, является внутренняя энергия тела.

Внутренняя энергия тела - сумма кинетической энергии хаотического теплового движения частиц (атомов или молекул) тела и потенциальной энергии их взаимодействия. Внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией теплового движения частиц. Средняя кинетическая энергия одного атома:

Силу хаотичности движения на каждое из трёх возможных направлений движения, или степень свободы, по оси X, Y и Z приходится одинаковая энергия

Число степеней свободы – число возможных независимых направлений движения молекул.

Газ называют двухатомным, если каждая его молекула состоит из двух атомов.

Формулы для внутренней энергии идеального газа:

где i – число степеней свободы молекул газа (i=3для одноатомного газа и i=5 для двухатомного газа).

Задача. Оцените внутреннюю энергию молекул воздуха, состоящего в основном из молекул N₂ и O₂, в классе объёмом V=5*8*4 м³. Считая давление воздуха атмосферным (p= 1,01*10⁵Па), получим

*10⁷ Дж.

Существует два способа изменения внутренней энергии системы: теплообмен и совершение работы.

Теплообмен – процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы. Мерой такой передачи энергии является количество теплоты.

Количество теплоты, получаемое телом, - энергия, передаваемая телу извне в результате обмена.

Для обратного перехода внутренней энергии тела в механическую работу необходимо каким – то образом преобразовать хаотическое движение его молекул в упорядоченное движение другого тела. В качестве такого тела наиболее целесообразно использовать поршень в цилиндре, перемещающийся под давлением газа, заполняющего цилиндр.

Работа, совершаемая газом, равна произведению среднего давления газа на изменение его объёма: .

При расширении (∆V0) газ совершает положительную работу, отдавая энергию окружающим телам.

При сжатии (∆V

Первый закон термодинамики.

Первый закон термодинамики – это закон сохранения энергии, и распространённой на тепловые явления. Он показывает, от каких причин зависит изменение внутренней энергии.

Первый закон термодинамики. Изменение внутренней энергии системы при её переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, подведённого к системе извне, и работы внешних сил, действующих на неё:

∆U=Q + A_вн.

Если система изолирована, то над ней не совершается работа (А=0) и она не обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0). В этом случае согласно первому закону термодинамики ∆U = U₂ – U₁, или U₁ = U₂. Внутренняя энергия изолированной системы остаётся неизменной (сохраняется).

В термодинамике наибольший интерес представляет преобразование внутренней энергии в работу, совершаемую газом. Эта работа отличается от работы внешних сил только знаком: А_вн = - А. С учётом этого соотношения первый закон термодинамики можно сформулировать так:

Количество теплоты, подведённое к системе, идёт на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:

Q = ∆U + A.

Первый закон термодинамики при изопроцессах.

При изотермическом процессе (∆Т=0, поэтому внутренняя энергия не изменяется ∆U=0) количество теплоты, переданное газу от нагревателя, полностью расходуется на совершение работы: Q = A.

При изобарном расширении газа подведённое к нему количество теплоты расходуется на увеличение его внутренней энергии (∆U 0) и на совершение работы газом (A 0): Q = ∆U + A.

При изохорном процессе (∆V =0, поэтому газ не совершает работу А = 0) изменение внутренней энергии газа происходит благодаря теплообмену с окружающими телами: Q = ∆U.

Для наиболее эффективного преобразования внутренней энергии газа в совершаемую им работу следует предотвратить возможные потери внутренней энергии в результате теплопередачи окружающим телам. Поэтому систему теплоизолируют.

Теплоизолированная система – это система, не обменивающаяся энергией с окружающими телами (Q = 0).

Адиабатный процесс – термодинамический процесс в теплоизолированной системе.

Первый закон термодинамики для адиабатного процесса имеет вид: A = - ∆U.

Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии для тепловых процессов, но не определяет направление этих процессов.

Процессы бывают обратимые и необратимые.

Обратимый процесс – процесс, который может происходить как в прямом, так и в обратном направлении.

Необратимый процесс – процесс, обратный которому самопроизвольно не происходит.

Нагретые тела постепенно остывают, передавая свою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения, но такой процесс самопроизвольно никогда не происходит. Также колебания маятника, выведенного из положения равновесия, затухают. Можно вновь увеличить размах колебаний маятника, подтолкнув его рукой.

Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них – старение и смерть организмов.

Второй закон термодинамики отражает необратимость процессов в природе.

Второй закон термодинамики.

В циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать всё количество теплоты, полученное от нагревателя, в механическую работу.

Немецкий учёный Р. Клаузиус (1822 – 1888 гг) сформулировал этот закон так: невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах. Важность этого закона состоит в том, что из него можно вывести заключение о необратимости не только процесса теплопередачи, но и других процессов в природе. Если бы теплота в каких-либо случаях могла самопроизвольно передаваться от холодных тел к горячим, то это позволило бы сделать обратимыми и другие процессы.